3. Понятие о проникающей радиации.

Виды и свойства ионизирующих излучений.

Физическая суть проникающей радиации

Проникающая радиация.Ядерный взрыв сопровождается испусканием всех основных видов ионизирующих излучений альфа-частиц, бета-частиц, гамма-квантов и нейтронов.

Ионизирующими называют излучения, взаимодействие которых с веществом приводит к образованию электрически заряженных частиц.

Рассмотрим эту проблему более подробно и начнем со строения атома вещества.

Атом вещества включает в себя ядро и электронную оболочку. Ядро атома состоит из элементарных частиц, основными из которых являются протон и нейтрон. Протон – это материальная частица вещества, имеющая массу 1,00676 атомных единиц массы (ат.ед.м.), положительно заряженная Величина заряда протона равна величине заряда электрона.

Нейтрон – элементарная частица вещества, имеющая массу 1,008665 ат.ед.м. и не обладающая электрическим зарядом.

Масса ядра складывается из суммы масс протонов и нейтронов.

Заряд ядра равен сумме зарядов протонов.

Протон и нейтрон являются одной ядерной частицей, переходящей из протона в нейтрон и обратно и находящейся в различном энергетическом состоянии. При отщеплении от нейтрона электрона нейтрон превращается в протон.

Внутри ядра имеются три разновидности сил, обеспечивающих устойчивость ядра:

1. Ядерные силы, обеспечивающие сильное взаимодействие – сила притягивания не зависит от заряда ядра и действует между соседними частицами; с увеличением между ними расстояния эти силы быстро падают.

2. Слабое взаимодействие, которое примерно в 1 млн. раз слабее первого.

3. Электрические силы, подчиняющиеся закону Кулона и обеспечивающие силу отталкивания между протонами в ядре.

Вокруг ядра имеется электронная оболочка, состоящая из элементарных частиц, имеющих отрицательный заряд электронов. Они расположены слоями, удаленными на различные расстояния от ядра. Электроны удерживаются на орбите силами притяжения между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами.

Атом является электрически нейтральным. Электроны движутся по орбитам, не теряя энергии.

Каждый атом обладает определенным, присущим только ему, уровнем энергетического состояния. При получении атомом избытка энергии извне, один из электронов переходит на более удаленную орбиту, которая называется возбужденной. При этом энергетическое состояние атома становится неустойчивым, и он стремится вернуться в свое исходное состояние путем возврата электрона на первоначальную орбиту. Этот переход электрона сопровождается испусканием порции энергии в виде электромагнитных излучений. Переход электронов на ближайших орбитах приводит к испусканию квантов энергии, соответствующих рентгеновскому излучению.

В ряде случаев может происходить отрыв электрона от атома. Атом, лишенный электрона, приобретает положительный заряд.

Оторвавшийся электрон может существовать в виде свободного электрона. Он может соединиться с другим атомом и передать ему свойства отрицательно заряженной частицы или, присоединяясь к положительно заряженной частице, придать ей нейтральный заряд,

Процесс образования из нейтрального атома двух и более заряженных частиц носит название ионизации. Обратный процесс, образование нейтрального атома из двух ионов называется рекомбинацией.

Ядра атомов состоят, в основном, из протонов и нейтронов; число протонов совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе и называется атомным номером.

Между протонами и нейтронами в ядре действуют ядерные силы взаимодействия, обеспечивающие устойчивость ядра, и, для того, чтобы отделить от ядра хотя бы один нуклон, надо приложить значительную энергию.

Ядра атомов обладают определенным энергетическим состоянием, называемым нормальным (основным).Состояние, при котором ядро обладает избытком энергии по отношению к основному, называетсявозбужденным.Ядра атомов могут прийти в возбужденное состояние при поглощении энергии, сообщенной извне. В основное состояние ядро приходит, испуская избыток энергии в виде ее кванта.

С ростом числа протонов в ядре силы отталкивания значительно увеличиваются, вследствие чего ядро может быть неустойчивым, способным к спонтанным превращениям. На устойчивость ядра влияет соотношение между числом протонов и нейтронов, которое у наиболее устойчивых ядер колеблется от 1 до 1,6 (нейтрон/протон). Ядра с избытком или недостатком нейтронов (< 1 и >1,6) претерпевают превращения, в процессе которых либо распадаются на части, либо испускают элементарные частицы, превращаясь в ядра новых элементов. Это и есть, как уже указывалось, радиоактивность.

Таким образом, ионизирующие излучения, по своей физической сути- это потоки элементарных частиц или частиц энергии (фотонов), которые возникают при спонтанных превращениях ядер атомов.

Виды и свойства ионизирующих излучений

Существуют следующие виды ионизирующих излучений:

-Альфа-излучение.

В тяжелых ядрах с большим количеством протонов действие сил отталкивания при определенном состоянии становится значительным. Это приводит к уменьшению удельной энергии связи в данном ядре и, следовательно, к уменьшению устойчивости ядра. Переход такого ядра в устойчивое состояние сопровождается испусканием образований, состоящих из двух протонов и двух нейтронов. Эти образования называются альфа-частицами. Они представляют собой ядро атома гелия внутриядерного происхождения, лишенное электронной оболочки.

-Бета-излучение

В том случае, если количество протонов и нейтронов таково, что соотношение нейтрон/протон больше величины, соответствующей устойчивому ядру, для перехода к стабильному ядру надо или уменьшить число нейтронов или увеличить число протонов. При этом одни из нейтронов ядра превращается в протон, испуская одну отрицательно заряженную частицу – электрон.

Если соотношение нейтрон/протон меньше соответствующего устойчивому ядру, то для перехода в стабильное состояние один протон должен превратиться в нейтрон, испуская одну положительно заряженную частицу – позитрон.

Таким образом, бета-частица является электроном и позитроном внутриядерного происхождения. Процесс превращения ядер, сопровождающийся испусканием бета-частиц, называется бета-распадом.

-Гамма-излучение

Источниками гамма-излучений являются возбужденные ядра, образовавшиеся в результате альфа- или бета-распада или других ядерных превращений. Возбужденное ядро переходит в основное состояние, испуская избыток энергии в виде гамма-квантов. Иногда ядро последовательно испускает ряд гамма-квантов, переходя каждый раз в менее возбужденное состояние до тех пор, пока не станет стабильным. Такое явление называется каскадным излучением. Гамма-кванты не обладают массой покоя и зарядом.

Мощным источником гамма-излучения является ядерный взрыв.

Взаимодействие видов ионизирующих излучений с веществом.

Взаимодействие альфа-частиц с веществом.

Это взаимодействие проявляется во взаимном отталкивании с положительно заряженным ядром и притягиванием с отрицательно заряженными электронами атомов.

Вследствие того, что альфа-частица имеет заряд +2, она образует электромагнитное поле, которое взаимодействует с внешними электронами атомов, ускоряет их и переводит на более высокие энергетические уровни, вызывая возбуждение атома, или вырывает электрон за пределы электронной оболочки, проводя ионизацию. Теряя свою энергию при каждом взаимодействии с атомами вещества, альфа-частица затормаживается, и в течение большого времени находится вблизи атома; в этом случае возрастает вероятность ионизации атома.

Выбиваемые электроны отрываются от электронной оболочки, альфа-частицы сообщают им значительную энергию, при этом образуются дельта-электроны. Двигаясь в среде, они проводят вторичную ионизацию, которая составляет 60-80% от всей ионизации.

Альфа-частица способна выбивать ядра из атомов взаимодей­ствующей среды, которые называются ядрами отдачи. Эти ядра также способны вызывать ионизацию. Полностью израсходовав свою энергию, альфа-частица присоединяет к себе два электрона и превращается в нейтральный атом гелия.

Пробег альфа-частиц в воздухе составляет 5-7 см, в биоло­гической ткани – до 700 микрон.

Взаимодействие бета-частиц с веществом:Бета-частицы, взаимодействуя с веществом, передают его атомам свою кинетическую энергию и рассеиваются; при этом происходит ионизация и возбуждение атомов. Потеря бета-частицей, энергии при каждом акте взаимодействия сопровождается снижением ее скорости до скорости движения частиц вещества.

Отрицательная бета-частица может остаться в виде свободно­го электрона или присоединиться к нейтральному атому или положительному иону – в первом случае образуется отрицательно заряженный ион, во втором – нейтральный атом.

Положительная бета-частица (позитрон) в конце своего пути сталкивается с электроном, соединяется с ним и аннигилирует. В результате аннигиляции электрон и позитрон перестают существовать как материальные частицы и превращаются в два гамма-кванта.

При взаимодействии с веществом бета-частица многократно меняет направление своего движения, при этом ионизация носит объемный характер.

В связи с тем, что масса бета-частицы меньше альфа-частицы, а скорость движения больше, то вероятность выбивания электрона из атома бета-частицей значительно меньше.

Бета-частицы передают выбиваемому электрону часть своей энергии, образуя дельта-электроны, которые проводят вторичную ионизацию, составляющую 30-40% от общей ионизации.

Проникающая способность бета-частицы в воздухе может составлять десятки метров, а в биологической ткани – сантиметры.

Взаимодействие гамма-излучения с веществом

В зависимости от энергии гамма-излучения среди процессов взаимодействия гамма-квантов, с веществом наибольшую вероятность могут иметь:

- фотоэффект;

- комптоновское рассеяние (Комптон-эффект);

- образование пары «электрон-позитрон».

Наиболее важным является образование пары «электрон-позитрон».

При взаимодействии гамма-кванта с электронным полем ядра он может прекратить свое существование как гамма-квант и превратиться в две частицы – электрон и позитрон. Этот процесс возможен только при достаточно высоком уровне энергии гамма-излучения; часть энергии гамма-квантов сообщается поровну электрону и позитрону в виде кинетической энергии. Эти возникшие электрон и позитрон проводят ионизацию среды, после чего позитрон аннигилирует с одним из электронов среды с образованием двух гамма-квантов, но меньших энергий.

При энергии гамма-квантов на уровне 0,5-1 мэВ, гамма-квант передает часть своей энергии одному из электронов атомов среды, выбивает его из электронной оболочки и образовавшийся дельта-электрон участвует в ионизации среды. После этого гамма-квант теряет энергию и изменяет направление своего движения. В этом случае наиболее вероятным становится процесс взаимодействия гамма-кванта с одним из внешних электронов. Рассеянные гамма-кванты вновь взаимодействуют с атомами вещества и, поскольку энергия гамма-излучения уменьшается, начинает преобладать фотоэффект. При этом гамма-квант, столкнувшись с атомом вещества, полностью поглощается и выбывает из потока гамма-квантов. Полученная атомом энергия гамма-квантов передается одному из электронов и сообщает ему такую скорость, что электрон выходит за пределы атомов. Переход электрона с внешней орбиты на внутреннюю сопровождается испусканием кванта рентгеновского излучения.

Таким образом, в отличие от альфа – и бета-частиц, гамма-кванты непосредственной ионизации не вызывают; ионизация происходит за счет действия вторичных электронов и позитронов.

Вероятность ионизации, гамма-квантами мала вследствие того, что линейная потеря энергии низка, следовательно, гамма-квантам присуща большая проникающая способность. Длина пробега гамма-квантов в воздухе составляет более I км и зависит от энергии гамма-квантов. Пробег гамма-квантов в биологической ткани составляет 10 и более сантиметров.

Взаимодействие нейтронов с веществом

При взаимодействии нейтронов с веществом они либо рассе­ваются, либо захватываются ядрами атомов.

Рассеяние нейтронов может быть упругим или неупругим,

Захват нейтронов может быть радиационным либо с испусканием элементарных частиц.

Упругое рассеяние.Нейтрон, столкнувшись с ядром вещества, передает ему часть кинетической энергии и отталкивается от ядра, изменяя направление своего движения и энергию. Переданная нейтроном ядру энергия преобразуется в кинетическую энергию ядра, которое приходит в движение и называется ядром отдачи. Эти ядра могут быть выбиты из атомов, и будут взаимодействовать с веществом, проводя ионизацию.

Неупругое рассеяние.При этом нейтрон проникает в ядро, выбивает один из нейтронов меньшей энергии и другого направления и переводит ядро в возбужденное состояние.

Возбужденное ядро переходит в основное состояние, испуская гамма-квант. Это явление характерно для взаимодействия нейтронов высоких энергий с ядрами тяжелых элементов.

Наибольшую энергию нейтрон теряет при взаимодействии с ядрами, равными или близкими ему по массе, т.е. с ядрами легких элементов.

Захват нейтронов.Захват нейтронов – это явление, при ко­тором нейтрон проникает в ядро и образует более тяжелый изотоп. Ядро, захватившее нейтрон, переходит в возбужденное состояние, испуская один или несколько гамма-квантов или заряженную частицу. Захват нейтронов возможен потому, что, не имея заряда, нейтрон способен приблизиться к ядру на такое расстояние, при котором действуют ядерные силы притяжения.

Вероятность захвата возрастает для нейтронов малых энергий вследствие того, что они большее время находятся вблизи ядра.

Чаще происходит радиационный захват, чем захват с испусканием элементарных частиц.

Нейтрон прямой ионизации не вызывает.

Ионизирующее действие нейтронов обусловлено вторичным эффектом – возникновением потоков гамма-квантов и заряженных частиц. Нейтроны движутся в веществе без потери энергии до тех пор, пока не встретятся с ядрами. Проникающая способность нейтронов достаточно высока и сравнима с проникающей способностью гамма-излучения.

Ионизация нейтронным излучением носит объемный характер. При пробеге нейтроном 1 см пути образуется одна пара ионов. Длина пробега нейтронов в воздухе составляет около 300 метров, в биологической ткани – до 10 см.

В понятие «проникающая радиация», как поражающий фактор ядерного взрыва, действующий в первые мгновения после взрыва, из всех видов ионизирующих излучений входят лишь поток гамма-квантов и поток нейтронов. Потоки альфа- и бета-частиц не выходят за пределы эпицентра взрыва; на человека действуют лишь при инкорпорации, а бета-частицы и при попадании на кожу и слизистые.